Сорный рис стал устойчивым к гербицидам в результате быстрой эволюции

Учёные из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Университета Арканзаса сообщают, что сорный рис, вредитель сельскохозяйственных культур, стал широко устойчивым к гербицидам в регионах, где выращивают гербицидоустойчивый культурный рис. Исследование, опубликованное в журнале Communications Biology, подчёркивает проблемы, с которыми сталкиваются фермеры США в борьбе с сорняком, тесно связанным с культурным растением.

Генетическое исследование проводилось на образцах, собранных на рисовых полях в Арканзасе, где выращивается почти 50% риса в стране.

Сорный рис — близкий родственник культурного риса. Он агрессивно конкурирует с ним в поле, приводя к потере урожая и снижению качества, что обесценивает продукцию. Заражение полей сорным рисом ежегодно наносит экономический ущерб в размере около $45 млн в США и сотни миллионов долларов по всему миру.

Биологи использовали полногеномные последовательности 48 современных растений сорного риса, чтобы показать, как устойчивость к гербицидам эволюционировала в результате потока генов от культурного риса. Почти все другие случаи устойчивости к гербицидам у сорняков являются результатом отбора устойчивых генотипов внутри самого вида сорняка. Всего через 20 лет после внедрения гербицидоустойчивого риса на юге США большинство полей с историей его выращивания заражены сорным рисом, который также устойчив к гербицидам.

"На протяжении почти 200-летней истории в США сорный рис имел очень низкую скорость скрещивания с культурным рисом", — сказал Маршалл Веджер, первый автор исследования. — "Мы обнаружили, что сорный рис в США пережил гербицидное давление благодаря выживанию тех немногих растений, которые скрещивались и, как следствие, приобретали признак устойчивости к гербицидам".

"Технологические изменения в рисоводстве США с 2000-х годов привели к полной генетической революции в составе сорного риса, засоряющего поля США", — сказал Кеннет Олсен, старший автор исследования.

"За последние 20 лет сорный рис превратился из генетически очень отличного от культурных сортов США в растение, в основном происходящее от гибридизации культуры и сорняка", — отметил Олсен. — "Сорняки захватывают у культуры определённые черты, полезные для них, включая устойчивость к гербицидам".

Как сорняки воспользовались моментом

До начала 2000-х годов сорный рис на полях США редко скрещивался с обычными культурными сортами. Культурный и сорный рис — один вид и могут гибридизироваться, но скорость гибридизации обычно низкая (менее 1%), так как рис самоопыляется.

Ситуация изменилась с внедрением в начале 2000-х двух новых типов культурного риса:

1. Гибридный рис с существенно повышенной урожайностью.
2. Гербицидоустойчивые сорта Clearfield, позволяющие применять химикаты против сорняков, не вредя культуре.

Уже в 2004 году, всего через два года после внедрения нового риса, фермеры Арканзаса сообщали о случаях устойчивости сорного риса к гербицидам. Такие растения, вероятно, были результатом скрещивания с гербицидоустойчивым рисом.

"Ситуация несколько аналогична появлению устойчивых к антибиотикам бактериальных патогенов. Широкое использование антибиотиков в итоге сильно отбирает на быстрое развитие устойчивых штаммов", — сказал Олсен.

Ключевую роль сыграли добровольцы гибридного риса — растения, выросшие из осыпавшихся семян в последующие годы. Они демонстрировали изменчивые признаки, включая сроки цветения, что значительно увеличивало вероятность обмена пыльцой с сорным рисом.

"Устойчивые к гербицидам растения сорного риса — это продукты скрещивания с устойчивой культурой", — сказала соавтор Нильда Рома Бургос. — "Скрещивание происходит, когда сорный рис не уничтожается гербицидом на 100%, а оставшиеся растения цветут одновременно с гербицидоустойчивой культурой".

Выводы и перспективы

Исследование публикуется в непростой для рисоводов Арканзаса год, осложнённый проблемами с глобальными поставками, ростом цен на удобрения и влиянием изменения климата на сроки посадки.

Быстрая адаптация сорного риса служит ещё одним примером опасности reliance на единственный метод борьбы с сельскохозяйственными вредителями.

"Скорость развития устойчивой популяции сорного риса до точки бесполезности гербицида зависит от того, как производитель управляет технологией устойчивого риса", — сказала Рома Бургос. — "Существуют рекомендации по лучшим практикам управления, которые помогают фермерам долго избегать развития устойчивости, если их внедрить".

"Как и в случае с устойчивостью к антибиотикам, появление устойчивости к этому конкретному гербициду будет встречено новой технологией, основанной на новом гербициде", — сказал Веджер. — "Новые гербицидоустойчивые сорта уже разрабатываются, поэтому я ожидаю повторения этого процесса".